JP2022527452A - 一酸化炭素耐性アノードを備える水素ポンピングセルを有しシフト反応器を統合した固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
燃料電池システムは、燃料電池スタック、燃料電池スタックの燃料入口に燃料を供給するように構成された燃料吸入導管、電解質と、カソードと、一酸化炭素耐性アノードとを含む電気化学式ポンプセパレータ、燃料電池スタックの燃料排気出口を電気化学式ポンプセパレータのアノード入口に動作可能に接続している燃料排気導管、及び、電気化学式ポンプセパレータのカソード出口を燃料吸入導管に動作可能に接続している生成物導管を含む。【選択図】図３Ａ
Description
本開示は、概して燃料電池システムに関し、より具体的には、電気化学的燃料排気燃料リカバリを備えた燃料電池システムに関する。
燃料電池は、燃料に蓄えられたエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換できる電気化学装置である。高温型の燃料電池には、固体酸化物形燃料電池と溶融炭酸塩形燃料電池が含まれる。これらの燃料電池は、水素及び／又は炭化水素燃料を使用して作動することができる。固体酸化物形再生燃料電池など、逆の作動も可能な燃料電池の部類があり、供給電気エネルギーを使用して、酸化された燃料を未酸化燃料に還元できる。
本開示の１つの実施形態によると、燃料電池システムは、燃料電池スタック、燃料電池スタックの燃料入口に燃料を供給するように構成された燃料吸入導管、電解質と、カソードと、一酸化炭素耐性アノードとを含む電気化学式ポンプセパレータ、燃料電池スタックの燃料排気出口を電気化学式ポンプセパレータのアノード入口に動作可能に接続している燃料排気導管、及び、電気化学式ポンプセパレータのカソード出口を燃料吸入導管に動作可能に接続している生成物導管を含む。
本開示の別の実施形態によると、燃料電池システムの作動方法は、燃料電池スタックの燃料入口に燃料吸入流を供給するステップ、燃料排気を燃料電池スタックの燃料排気出口から、電解質と、カソードと、一酸化炭素耐性アノードとを含む電気化学式ポンプセパレータのアノード入口へ供給するステップ、及び、電気化学式ポンプセパレータのカソード出口から排出される水素を燃料吸入流に供給するステップを含む。
本開示の１つの実施形態によると、燃料電池システムは、燃料電池スタック、電気化学式ポンプセパレータ、電気化学式ポンプセパレータと統合された水性ガスシフト（ＷＧＳ）触媒、燃料電池スタックの燃料排気出口を電気化学式ポンプセパレータのアノード入口に動作可能に接続している燃料排気導管、及び、電気化学式ポンプセパレータのカソード出口を、燃料電池スタックの燃料入口に燃料を供給するように構成された燃料吸入導管に動作可能に接続している生成物導管を含む。
本発明の第１及び第２の実施形態は、電気化学式ポンプセパレータが、固体酸化物形燃料電池システム等の燃料電池システムとともに、どのように使用されるかを示す。他の燃料電池システムも使用できることに留意されたい。
第１の実施形態のシステムでは、燃料電池スタックに供給される燃料吸入流を加湿するために、燃料加湿器が用いられる。第２の実施形態のシステムでは、燃料加湿器を省いてもよい。燃料電池スタックの燃料排気流の一部が、燃料吸入流を加湿するために燃料吸入流へと直接リサイクルされる。燃料電池スタックの燃料排気流の別の部分はセパレータに供給され、その後、分離された水素が燃料吸入流に供給される。
図１は、本開示の第１の実施形態による燃料電池システム１００を概略的に示したものである。システム１００は、固体酸化物形燃料電池スタックなどの燃料電池スタック１０１を含む（イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのセラミック電解質、ニッケル-ＹＳＺサーメットなどのアノード電極、及びランタンストロンチウムマンガナイトなどのカソード電極を含むスタックの１つの固体酸化物形燃料電池を表すように概略的に示される）。
システム１００は、また、燃料排気流から水素を電気化学的に分離する電気化学式ポンプセパレータ１５０を含む。ポンプセパレータ１５０は、高分子電解質１５４を含む、任意の適切なプロトン交換膜装置を備えることができる。水素は、電解質の両側に配置されたアノード電極とカソード電極の間に電位差が与えられた状態で、高分子電解質を通って拡散する。好ましくは、ポンプセパレータ１５０は、高温低水和イオン交換膜セルのスタックなど、一酸化炭素耐性電気化学的セルのスタックを含む。このタイプのセルは、例えば、アノード電極１５５とカソード電極１５６の間に配置された、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）膜などの非フッ素化イオン交換アイオノマー膜を含む。膜には、硫酸やリン酸などの酸がドープされる。このようなセルの例は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国公開出願ＵＳ２００３／０１９６８９３ Ａ１に開示されている。これらのセルは、一般的には、摂氏約１００度～約２００度の温度範囲で作動する。したがって、システム１００内の熱交換器は、燃料排気流を、摂氏約１２０度～約２００度の温度、例えば摂氏約１６０度～約１９０度に維持することが好ましい。
システム１００は、また、燃料電池スタック１０１の燃料排気出口１０３をポンプセパレータ１５０のアノード入口１５１に動作可能に（すなわち流体的に）接続している第１の燃料排気導管１５３を含む。システム１００は、また、ポンプセパレータ１５０のカソード出口１５８を、スタック１０１の燃料入口１０５を外部燃料源に動作可能に（すなわち流体的に）接続している燃料吸入導管１１１に動作可能に（すなわち流体的に）接続している生成物導管１５７を含む。システム１００は、また、ポンプセパレータ１５０のアノード出口１５２をアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）１４０又は大気ベントに動作可能に（すなわち流体的に）接続しているセパレータ排気導管１５９を含む。
システム１００は、燃料吸入導管１１１とセパレータ排気導管１５９とに動作可能に接続される燃料加湿器１１９をさらに含む。作動中、燃料加湿器１１９は、セパレータ排気導管１５９に排出されたセパレータ排気に含まれる水蒸気を用いて、リサイクルされた水素を含む燃料導管１１１内の燃料を加湿する。燃料加湿器１１９は、例えば、ともにその全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６,１０６，９６４号及び米国出願シリアル番号１０／３６８，４２５に記載されるように、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜加湿器等の高分子膜加湿器、エンタルピーホイール、又は複数の水吸着床を含むことができる。例えば、１つの好適なタイプの加湿器は、Ｐｅｒｍａ Ｐｕｒｅ ＬＬＣから入手可能な、水蒸気及びエンタルピー移動のＮａｆｉｏｎ（登録商標）系透水性膜を含む。燃料加湿器１１９は、水蒸気及びエンタルピーを燃料排気流から燃料吸入流に受動的に移して、燃料吸入流中の水蒸気の炭素に対する比を２～２．５にする。燃料吸入導管１１１内の燃料の温度は、燃料加湿器１１９によって、摂氏約８０度～約９０度まで上昇させることができる。
システム１００は、また、燃料吸入導管１１１と燃料排気導管１５３とに動作可能に接続される伝熱式熱交換器１２１（例えば、アノード復熱器）を含む。熱交換器１２１は、燃料排気導管１０３内の燃料排気から取り出した熱を用いて、燃料吸入導管１１１内の燃料を加熱する。熱交換器１２１は、流入する燃料の温度上昇を促進し、燃料排気の温度を下げ、凝縮器内でさらに冷却されて、燃料加湿器１１９を損傷させないようにする。
燃料電池が外部燃料改質タイプの電池である場合、システム１００は燃料改質器１２３を含む。改質器１２３は、炭化水素燃料吸入流を水素及び一酸化炭素を含む燃料流へと改質し、これはその後スタック１０１に供給される。改質器１２３は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる２００４年１２月２日出願の米国特許第７,４２２，８１０号に記載されるように、燃料電池スタック１０１内で生成された熱によって、及び／又は、任意選択のＡＴＯ１４０で生成された熱によって、放射的に、対流によって、及び／又は、伝導的に加熱され得る。あるいは、スタック１０１が内部改質タイプの電池を含み、改質が主にスタックの燃料電池（セル）内で行われる場合、外部改質器１２３は省くことができる。
システム１００は、また、スタック１０１の空気入口１０７に流体的に接続される空気吸入導管１３０を含む。任意選択で、システム１００は、空気吸入導管１３０に動作可能に接続されるとともに、燃料排気導管１５３内の燃料排気から取り出した熱を用いて空気吸入導管１３０内の空気を予熱するように構成された空気予熱熱交換器１２５を含む。必要に応じて、この熱交換器１２５を省略してもよい。
システム１００は、また、スタック１０１の空気排気出口１０９をＡＴＯ１４０に流体的に接続している空気排気導管１３２を含む。システム１００は、好ましくは、空気吸入導管１３０と空気排気導管１３２とに動作可能に接続される空気熱交換器１２７を含む。この熱交換器１２７は、さらに、空気排気導管１３２内の燃料電池スタック空気排気（すなわち、酸化剤又はカソード排気）から取り出した熱を用いて、空気吸入導管１３０内の空気を加熱する。予熱式熱交換器１２５が省略される場合には、空気は、ブロワ又は他の空気取り入れ装置によって熱交換器１２７に直接供給される。
システム１００は、また、任意選択で、生成物導管１５７と空気吸入導管１３０に動作可能に接続される任意選択の水素冷却熱交換器１２９を含む。熱交換器１２９は、空気吸入導管１３０を通って流れる空気を使用して、ポンプセパレータ１５０から排出される分離された水素から熱を取り出す。
システム１００は、また、燃料排気導管１５３に動作可能に接続される任意選択の水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器１２８を含むことができる。ＷＧＳ反応器１２８は、燃料排気中の水の少なくとも一部を遊離水素（Ｈ２）へと変換する任意の適切な装置であってよい。例えば、ＷＧＳ反応器１２８は、燃料排気流中の一酸化炭素と水蒸気の一部又はすべてを二酸化炭素と水素に変換する触媒を含む管又は導管を備えることができる。したがって、ＷＧＳ反応器１２８は、燃料排気中の水素の量を増加させる。触媒は、酸化鉄又はクロム助触媒酸化鉄触媒（chromium-promoted iron oxide catalyst）などの、任意の適切な触媒であってよい。ＷＧＳ反応器１２８は、燃料熱交換器１２１と空気予熱熱交換器１２５との間で、燃料排気導管１５３に動作可能に接続することができる。
システム１００は、次のように作動することができる。燃料吸入流（「燃料」又は「燃料流」とも呼ばれる）が、燃料吸入導管１１１を通って燃料電池スタック１０１に供給される。燃料は、任意の適切な炭化水素燃料を含むことができ、メタン、メタンとともに水素や他のガスを含む天然ガス、プロパン、又はその他のバイオガス、あるいは、一酸化炭素などの炭素燃料、メタノールなどの酸素化炭素含有ガス、又は、他の炭素含有ガスと、蒸気、Ｈ２ガス又はそれらの混合物等の水素含有ガスとの混合物を含むが、これらに限定されない。例えば、上記混合物は、石炭又は天然ガスの改質に由来する合成ガスを含むことができる。
燃料流が加湿器１１９を通過するとき、燃料流は加湿される。次に、加湿された燃料は、燃料熱交換器１２１を通過し、そこで、加湿された燃料が燃料電池スタックの燃料排気によって加熱される。次に、加熱され加湿された燃料は、好ましくは外部改質器である燃料改質器１２３に供給される。例えば、燃料改質器１２３は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる２００４年１２月２日出願の米国特許番号７，４２２，８１０に記載の改質器を含んでよい。
燃料改質器１２３は、炭化水素燃料を部分的又は完全に改質して炭素含有及び遊離水素含有燃料を形成することのできる、任意の適切な装置であってよい。例えば、燃料改質器１２３は、炭化水素ガスを、遊離水素と炭素含有ガスとのガス混合物に改質することができる任意の適切な装置であってよい。例えば、燃料改質器１２３は、触媒を被覆した通路を含むことができ、そこで、天然ガスなど、加湿されたバイオガスが水蒸気－メタン改質反応を介して改質されて、遊離水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、及び任意選択で残りの量の未改質のバイオガスを形成する。次に、遊離水素及び一酸化炭素は、燃料電池スタック１０１の燃料（すなわち、アノード）入口１０５に供給される。したがって、燃料吸入導管１１１内の燃料の流れ方向に関して、加湿器１１９は熱交換器１２１の上流に位置し、熱交換器１２１は改質器１２３の上流に位置し、改質器１２３はスタック１０１の上流に位置する。
空気吸入導管１３０を通してスタック１０１に供給される、空気又は他の酸素含有ガス（すなわち、酸化剤）（「空気吸入流」又は「空気流」とも呼ぶ）は、空気排気導管１３２内のカソード排気を使用して、空気熱交換器１２７によって加熱される。必要に応じて、空気吸入導管１３０内の空気を、空気をスタック１０１に供給する前に、水素冷却熱交換器１２９に通して、及び／又は、空気予熱熱交換器１２５に通して、空気流の温度をさらに上げることもできる。
作動中、スタック１０１は、供給された燃料と空気を使用して電気を生成し、燃料排気と空気排気を生成する。燃料排気には、水素、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンなどの未反応の炭化水素燃料、及びその他の反応副産物や不純物が含まれ得る。燃料排気は、スタック１０１に供給される燃料の約２５％を含み得る。
燃料排気は、燃料排気出口１０３から排出され、燃料排気導管１５３によってポンプセパレータ１５０に供給される。ポンプセパレータ１５０は、燃料排気に含まれた水素（Ｈ２）の少なくとも一部を電気化学的に分離する。分離された水素は、カソード出口１５８から排出され、生成物導管１５７によって燃料吸入導管１１１に供給され、そこで水素は、入ってくる新鮮な燃料と混合される。好ましくは、水素は、加湿器１１９の上流側の燃料吸入導管１１１に供給される。
燃料排気導管１５３内の燃料排気流は、まず、熱交換器１２１に供給され、ここで、入ってくる燃料の温度を上げながら、自身の温度を、好ましくは２００℃未満に下げる。ＷＧＳ反応器１２８と空気予熱熱交換器１２５が存在する場合には、燃料排気はＷＧＳ反応器１２８を通って供給され、水蒸気の少なくとも一部と、残留する一酸化炭素の大部分を、二酸化炭素と水素に変換する。その後、燃料排気の温度は、熱交換器１２５を通過する間に、空気吸入導管１３０内の空気に熱を伝達することによってさらに下げられる。燃料排気の温度は、例えば、約９０～１１０℃まで下げることができる。
燃料排気は、その後、導管１５３を経て、ポンプセパレータ１５０のアノード入口１５１に供給される。セパレータ１５０は、例えば燃料排気流中の水素の約８５％といった、燃料排気からの水素の大部分を分離するように構成することができる。特に、水素は、セパレータ１５０内のセルの電解質を通って拡散し、同時に、燃料排気中の水蒸気、二酸化炭素、一酸化炭素、及び残りの炭化水素ガスは、導管１５９によって加湿器１１９に供給される。
燃料加湿器１１９では、燃料排気中の水蒸気の一部が、燃料を加湿するために燃料吸入導管１１１内の燃料に移される。燃料は８０℃～９０℃の露点まで加湿することができる。次に、燃料排気流の残りは、スタック１０１からの空気（すなわち、カソード）排気と共にＡＴＯ１４０に供給され、そこでガスが酸化されて、低品質な熱を供給する。ＡＴＯからの排気は、ＡＴＯ排気導管１６１に供給され得る。ＡＴＯ１４０からの熱は、改質器１２３を加熱するために使用され得るか、システム１００の他の部分に供給され得るか、又は、建物暖房システム等の、システム１００外部の装置に供給され得る。
ポンプセパレータ１５０によって分離された水素は、出口１５８から排出され、生成物導管１５７によって燃料吸入導管１１１に供給され、そこで、入ってくる燃料と混合される。必要に応じて、水素は、燃料吸入導管１１１に供給される前に、熱交換器１２９で冷却することができ、そこで水素流は空気吸入導管１３０内の空気と熱を交換する。水素の温度は、燃料吸入導管１１１に供給される前に、熱交換器１２９で下げられる。したがって、炭化水素燃料は、電気化学式水素ポンプセパレータ１５０を用いてアノード排気ガスから回収された周囲温度に近い低露点のリサイクル水素と混合される。
したがって、燃料排気の流れ方向に関して、熱交換器１２１はＷＧＳ反応器１２８の上流に位置し、ＷＧＳ反応器１２８は熱交換器１２５の上流に位置し、熱交換機１２５はポンプセパレータ１５０の上流に位置し、ポンプセパレータ１５０は加湿器１１９と燃料吸入導管１１１との上流に位置する。
図２は、本開示の第２の実施形態による燃料電池システム２００を示す概略図である。システム２００は、システム１００に類似しており、いくつかの構成要素を共通に含む。システム１００及びシステム２００の両方に共通であるこれらの構成要素には、図１及び図２において同じ番号を付けてあり、これ以上は説明しない。
システム１００とシステム２００との間の１つの違いは、システム２００には、好ましくは、加湿器１１９がないことであるが、必ずしもそうでなくてもよい。その代わりに、水蒸気を含むスタックの燃料排気流の一部が、直接スタック燃料吸入流へとリサイクルされる。燃料排気流中の水蒸気は、燃料吸入流を加湿するのに十分である。
システム２００は、燃料排気スプリッタ２０１、リサイクル導管２０３、ブロワ又はコンプレッサ２０５、及び混合器２０７を含むことができる。スプリッタ２０１は、コンピュータ又はオペレータ制御の多方弁、例えば、三方弁、又は別の流体分割装置であってよい。スプリッタ２０１は、燃料排気導管１５３及びリサイクル導管２０３に動作可能に接続することができる。特に、スプリッタ２０１は、燃料排気導管１５３内の燃料排気の全部又は一部をリサイクル導管２０３に選択的に回すように構成することができる。
混合器２０７は、燃料吸入導管１１１、リサイクル導管２０３、及び生成物導管１５７に動作可能に接続することができる。リサイクル導管２０３は、スプリッタ２０１を混合器２０７に流体的に接続することができる。混合器２０７は、新鮮な燃料を、リサイクル導管２０３によって供給される燃料排気及び／又は生成物導管１５７によって供給される水素と混合するように構成することができる。
ブロワ又はコンプレッサ２０５は、リサイクル導管２０３に動作可能に接続することができる。ブロワ又はコンプレッサ２０５は、燃料排気をリサイクル導管２０３を通って混合器２０７へと移動させるように構成することができる。作動中、ブロワ又はコンプレッサ２０５は、所望の量の燃料排気を、混合器２０７を介して燃料吸入導管１１１に制御可能に供給する。
システム２００を作動させる方法は、システム１００を作動させる方法に類似している。１つの違いは、燃料排気が、スプリッタ２０１によって少なくとも２つの流れに分離されることである。第１の燃料排気流が燃料吸入流にリサイクルされる一方で、第２の流れはポンプセパレータ１５０へと向けられ、そこで、第２の燃料排気流に含まれる水素の少なくとも一部分を第２の燃料排気流から電気化学的に分離する。次に、第２の燃料排気流から分離された水素は、生成物導管１５７によって燃料吸入導管１１１へと供給される。燃料排気の５０％から７０％の間、例えば約６０％等を、ブロワ又はコンプレッサ２０５に供給することができ、残りをポンプセパレータ１５０の方へと供給することができる。
好ましくは、燃料排気は、スプリッタ２０１に供給される前に、熱交換器１２１及び１２５、及びＷＧＳ反応器１２８を通って流れる。燃料排気は、２つの流れに分割されるスプリッタ２０１に供給される前に、熱交換器１２５において、約２００℃以下に、例えば約１２０℃～約１８０℃に冷却することができる。これにより、所望の量の燃料排気流を燃料吸入導管１１１に制御可能にリサイクルするために、低温度ブロワ２０５を用いることが可能となる。なぜなら、こうしたブロワは、約２００℃以下の温度を有するガス流を移動させるのに適合できるからである。
ブロワ又はコンプレッサ２０５はコンピュータ又はオペレータ制御することができ、以下に記載する状況に応じて燃料吸入流に供給される燃料排気流の量を変えることができる。いくつかの実施形態において、システム２００は、任意選択で、生成物導管１５７に動作可能に接続されるセレクターバルブ２１０を含むことができる。セレクターバルブ２１０は、補助装置２１２、例えば、水素貯蔵装置、車両内のＰＥＭ燃料電池等の水素使用装置又は別の水素使用装置、又は水素貯蔵容器に、流体的に接続され得る。セレクターバルブ２１０は、生成物導管１５７内の選択された量の水素を補助装置２１２に回すように構成され得る。例えば、水素の全部又は一部を、補助装置２１２又は混合器２０７のいずれかに供給することができるか、あるいは、水素を、混合器２０７及び補助装置２１２に交互に供給することができる。
ブロワ又はコンプレッサ２０５及び任意選択のセレクターバルブ２１０は、以下の状況の１つ又は複数に基づいてガス流を制御可能に変えるようにコンピュータ又はオペレータによって操作することができる：ｉ）システム１００の検出又は観測された状況（すなわち、燃料吸入流中の水素の量の変更を必要とする、システム作動状況の変化）；ｉｉ）燃料吸入流中の水素の一時的な調整を必要とする、コンピュータに提供された事前の計算又はオペレータに知らされた状況；ｉｉｉ）例えば、スタックによって生成された電力の使用者による電力需要の変化、水素の価格と比較した電気又は炭化水素燃料の価格の変化など、スタック１０１の動作パラメーターの、望まれる将来の変化、現在起こっている変化又は最近の過去の変化；及び／又は、ｉｖ）水素使用装置などの水素使用者による水素需要の変化、電気の価格と比較した水素又は炭化水素燃料の価格の変化など。
燃料排気（すなわちテール）ガスから分離された水素の少なくとも一部を燃料吸入導管１１１へとリサイクルすることによって、燃料電池システムの高効率な運転が得られると考えられる。さらに、全体的な燃料利用率が増加する。パス当たりの燃料利用率が約７５％である（すなわち、スタックを通り抜ける各パスの間に、燃料の約７５％が使用される）場合、発電効率（すなわち、ＡＣ電力効率）は、第１及び第２の実施形態の方法では、約５０％から約６０％の間の範囲、例えば約５４％から約６０％の間の範囲、とすることができる。パス当たりの利用率が約７５％である場合、約９４％～約９５％の有効な燃料利用率が得られ、燃料排気ガス水素の約８５％がポンプセパレータ１５０によって燃料電池スタックにリサイクルされる。パス当たりの燃料利用率を、例えば約７６～８０％など、７５％より上に上げることにより、さらに高い効率を得ることができる。定常状態では、第１及び第２の実施形態の方法は、水蒸気メタン改質が燃料電池への供給ガスを生成するために用いられる際の、水蒸気の生成を不要とする。燃料排気流は、水蒸気の炭素に対する比２～２．５でスタックへの燃料吸入流を加湿するのに十分な水蒸気を含む。正味の燃料利用の増加と、水蒸気の生成に熱が必要でなくなることが、全体的な電力効率を上げる。対照的に、水素をリサイクルしない場合、ＡＣ電力効率は、スタック内の燃料利用率約７５％～８０％に対して約４５％である。
本開示の様々な実施形態によると、ポンプセパレータ１５０は、燃料排気流から水素を取り除くために、一酸化炭素耐性アノード１５５を含むことができる。電気化学式ポンプセパレータ１５０に供給される燃料排気流は、燃料として使用した天然ガスの水蒸気改質からのリフォメート等、一酸化炭素（ＣＯ）のかなりの部分を含み得る。ＣＯは多くの水素ポンプ材料にとって有害であり、ポンピング電圧（電力）を大幅に増加させる。一実施形態では、電気化学式ポンプセパレータ１５０は、ＣＯ耐性のアノード１５５を含む。
したがって、電気化学式ポンプセパレータ１５０は、アノード１５５とカソード１５６との間にプロトン伝導性電解質１５４を配置した、任意の適切な水素ポンプを含むことができる。アノードに、燃料電池の燃料排気流などの水素含有ガス流が供給され、そこで水素がアノードの触媒材料によってプロトンと電子に解離される。電子は印加電圧によってカソードに駆動され、プロトンをカソードへと動かして純粋な水素ガスを発生する。
好適な電解質１５４の材料は、任意の好適なプロトン伝導体を含み、例えば、プロトン交換膜（ＰＥＭ）、又は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）のブランド名で販売されている化学式Ｃ７ＨＦ１３Ｏ５Ｓ.Ｃ２Ｆ４をもつスルホン化テトラフルオロエチレン系のフルオロポリマー共重合体等の高分子電解質膜、先の実施形態に記載のリン酸膜（ポリリン酸及びポリベンゾイミダゾールポリマーを含むＰＢＩ系のリン酸膜を含む）、プロトン伝導性酸化物としては、ＬａＰＯ４等のリン酸塩、固体酸（リン酸二水素セシウム、ＣｓＨ２ＰＯ４等）、及び、例えばＢａＣｅＹＯ（ＢＣＯ）、ＢａＺｒＹＯ（ＢＺＯ）、ＬａＳｒＰＯ、ＢａＣａＮｂＯ（ＢＣＮ）、ＬａＣａＮｂＯ、又はＬａＢａＧａＯ（ＬＢＧＯ）のような、ペロブスカイト型のセラート、ニオブ酸塩、リン酸塩、没食子酸塩又はジルコン酸塩等、特定のペロブスカイト（ＡＢＯ３）材料、その全体を参照により本明細書に援用するＣｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｒｅｖ．，２０１０，３９，４３７０－４３８７に記載のものが含まれる。
好ましい実施形態では、電気化学式ポンプセパレータ１５０のアノード１５５は、ＰｔＲｕ合金等の触媒を含む。別の実施形態では、電気化学式ポンプセパレータ１５０のアノードは、別のＣＯ耐性触媒を含むことができ、例えば、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タングステン（Ｗ）、亜鉛（Ｚｎ）、又はそれらの任意の組み合わせを含む元素金属又は合金が含まれるが、これに限定されない。例えば、アノード触媒には、Ｐｔ－Ｒｕ、Ｃｕ－Ｚｎ、Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ、Ｐｔ－Ｎｉ、Ｆｅ－Ｃｒ、又はＦｅ－Ｃｒ－Ｃｕを含み得る。
いくつかの実施形態において、アノード１５５は、任意選択で、アノード触媒を電解質１５４に固定するための結合剤を含む。適切な結合剤には、アイオノマー（例えば、Ｎａｆｉｏｎ）又はポリマー（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ））が含まれる。アノード触媒は、担持されても、又は担持されなくてもよい。例えば、アノード触媒は、カーボンブラック（例えば、Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ ７２Ｒカーボンパウダー又はケッチェンブラックパウダー）等の炭素系材料、カーバイド材料、又は、酸化タングステン（ＷＯｘ）等の非炭素系材料に担持され得る。アノード１５５は、触媒、結合剤、及び担体の任意の組み合わせに関して、単層、二層、多層、又は勾配触媒構造を含み得る。
図３Ａは、本開示の第３の実施形態による燃料電池システム３００の概略図である。システム３００は、第１及び第２の実施形態のシステム１００及びシステム２００に関して前述した構成要素と同様のいくつかの構成要素を含むことができ、これらには、図１及び図２と同じ番号を付し、詳細には説明しない。
図３Ｂは、本開示の第３の実施形態による、燃料電池システム３００の中央カラム３０１の断面斜視図である。あるいは、中央カラム３０１は、第１及び第２の実施形態のシステム１００，２００のいずれかに含まれ得る。したがって、中央カラム３０１は、システム１００，２００に関して前述した構成要素と同様のいくつかの構成要素を含むことができ、これらには、図１及び図２と同じ番号を付し、詳細には説明しない。
第１及び第２の実施形態に関して説明した構成要素に加えて、システム３００では、カラム３０１はホットボックス３０２の内側に配置され、接触部分酸化（ＣＰＯｘ）反応器１７０、ＣＰＯｘブロワ１８０（例えば、空気ブロワ）、システムブロワ１８２（例えば、空気ブロワ）、アノードリサイクルブロワ２０５、及び混合器２０７は、ホットボックス３０２の外側に配置することができる。しかしながら、本開示は、ホットボックス３０２に対する構成要素それぞれについての特定の配置に限定されない。
図３Ａを参照すると、ＣＰＯｘ反応器１７０は、燃料入口から燃料吸入流を受け入れる。燃料入口は、ＣＰＯｘ反応器１７０に供給される燃料の量を制御するための弁を含む、ユーティリティガスラインであってもよい。ＣＰＯｘブロワ１８０は、システム３００の起動時、ＣＰＯｘ反応器１７０に空気を供給し、その後、燃料電池スタック１０１が、例えば７５０～９００℃等の、７００℃を超える定常動作温度に達すると、定常動作モード中は止めることができる。定常状態での燃料及び／又は起動時の燃料及び空気の混合物は、燃料吸入導管１１１によって混合器２０７に供給することができる。
メイン空気ブロワ１８２は、空気吸入導管１３０を通して、空気予熱熱交換器１２５に空気流（例えば空気吸入流）を供給するように構成することができる。ＡＴＯ排気流は、ＡＴＯ１４０から空気熱交換器（例えば、カソード復熱装置）１２７へ、ＡＴＯ排気導管１６１を通って流れる。排気は、空気熱交換器１２７から蒸気発生器１６０へとＡＴＯ排気導管１６１を通って流れる。排気は、蒸気発生器１６０からホットボックス３０２の外側へＡＴＯ排気導管１６１を通って流れる。
水は、水タンク又は水道管等の水源１９０から、導水管１６３を通って蒸気発生器１６０へと流れる。蒸気発生器１６０は、ＡＴＯ排気導管１６１によって供給されるＡＴＯ排気からの熱を用いて、水を水蒸気に変える。水蒸気は、蒸気発生器１６０から導水管１６３を通って混合器２０７に供給される。あるいは、必要に応じて、水蒸気を、燃料吸入流に直接供給することができる、及び／又は、アノード排気流を直接燃料吸入流に供給し、続けて、合わさった燃料流を加湿することができる。
システム３００は、システム３００の様々な要素（例えば、ブロワ１８２，１８４，２０５及び燃料制御弁）を制御するように構成されたシステム制御器２２５をさらに含むことができる。制御器２２５は、保存された命令を実行するように構成された中央処理ユニットを含むことができる。例えば、制御器２２５は、燃料組成データに従って、システム３００を通る燃料及び／又は空気の流れを制御するように構成することができる。
図３Ｂを参照すると、中央カラムは、１又は複数の燃料電池スタック１０１を上に配置することのできるベース３１０から延在することができる。燃料吸入導管１１１と燃料排気導管１５３は、スタック１０１から、ベース３１０を通ってカラム３０１へと延在することができる。
カラム３０１は、円筒形の外壁及び内壁を含むことができ、これらは、ＡＴＯ１４０を少なくとも部分的に画定する。燃料熱交換器１２１は改質器１２３の周りに配置することができる。燃料熱交換器１２１及び／又は改質器１２３にＷＧＳ触媒を設けることにより、燃料熱交換器１２１及び／又は改質器１２３に、任意選択の第１の追加のＷＧＳ反応器１２８Ａを組み込むことができる。ＡＴＯ１４０は、燃料熱交換器１２１を包囲することができる。燃料電池スタック１０１はＡＴＯ１４０を包囲することができ、空気熱交換器１２７（図３Ａに示される）は、ホットボックス３０２内で燃料電池スタック１０１を包囲することができる。
ＷＧＳ反応器１２８は、燃料熱交換器１２１の上方に配置されている。空気予熱熱交換器１２５は、ＷＧＳ反応器１２８の上方に配置されている。任意選択の第２の追加のＷＧＳ反応器１２８Ｂは、空気予熱熱交換器１２５にＷＧＳ触媒を設けることによって、空気予熱熱交換器１２５に組み込むことができる。
燃料排気導管１５３は、燃料電池スタック１０１、燃料熱交換器１２１、ＷＧＳ反応器１２８、及び空気予熱器１２５を流体的に接続することができる。したがって、スタック１０１から排出される燃料排気流は、カラム３０１の底部に流れ込み、燃料熱交換器１２１の外面に沿って流れ、その後、カラム３０１の頂部を出ていくまでに、ＷＧＳ反応器１２８及び空気予熱熱交換器１２５の内部を流れることができる。
燃料吸入導管１１１は、スタック１０１、燃料熱交換器１２１、及び燃料改質器１２３を燃料入口に流体的に接続することができる。したがって、燃料吸入流は、カラム３０１の頂部に流れ込み、次いで、燃料熱交換器１２１及び燃料改質器１２３に供給されてから、カラム３０１の底部を出てスタック１０１に供給される。
例えば、燃料熱交換器１２１は、燃料吸入流を燃料排気流から分離するように構成された波形セパレータ含むことができる。いくつかの実施形態では、燃料熱交換器１２１の、燃料排気に接触する表面をＷＧＳ触媒で被覆して、燃料熱交換器１２１が、燃料熱交換器１２１とＷＧＳ反応器１２８Ａの複合器として作動できるようにすることもできる。言い換えれば、燃料熱交換器１２１は、燃料吸入流と燃料排気流との間で熱を移動させること、並びに、燃料排気中の水及び一酸化炭素を遊離水素及び二酸化炭素へ変換することの両方のために働くことができる。したがって、ＷＧＳの反応性を高めるために、カラム３０１の追加の容積をＷＧＳ反応専用にしてもよい。
いくつかの実施形態では、カラム３０１は、燃料排気流の一部をＡＴＯ１４０へと回すように構成されたスプリッタ２０１を含むことができる。燃料排気流の残りは、任意のさらなる処理に適合できる温度まで、空気予熱熱交換器１２５内で冷却することができる。さらなる一酸化炭素含有量の削減及び水素への水の変換が望まれる場合、燃料排気流を運ぶ空気予熱熱交換器１２５の導管は、熱交換器１２５が任意選択の第２の追加のＷＧＳ反応器１２８Ｂとして働けるように、任意選択で、ＷＧＳ触媒で被覆されてもよい。
図３Ａに示される他の任意選択の実施形態は、第３の追加のＷＧＳ反応器１２８Ｃ触媒を組み込んだ、電気化学式ポンプセパレータ１５０を含む。この任意選択の実施形態の一つの態様では、上述したアノード触媒もまたＷＧＳ触媒である。この任意選択の実施形態の別の態様では、ＷＧＳ触媒は、電気化学式ポンプセパレータ１５０のアノード全体に、又は、電気化学式ポンプセパレータ１５０のアノードの一部分に被覆されてもよい。この任意選択の別の実施形態の別の態様では、ＷＧＳ触媒は、電気化学式ポンプセパレータ１５０と同じハウジング内に配置されているので、電気化学式ポンプセパレータ１５０とＷＧＳ触媒との間に空気予熱器１２５が配置されない。例えば、燃料排気流が、電気化学式ポンプセパレータ１５０のアノードに到達する前に、ＷＧＳ反応器触媒を通過するように、ＷＧＳ触媒を、電気化学式ポンプセパレータ１５０を含むハウジングのアノード室の表面に被覆することができる。ＷＧＳ反応器１２８Ｃ触媒は、ＰｔＲｕ、Ｃｕ、Ｃｕ－Ｚｎ、Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｔ－Ｎｉ、Ｎｉ、Ｆｅ－Ｃｒ、又はＦｅ－Ｃｒ－Ｃｕを含むことができる。ＷＧＳ反応器触媒は、約２００～４５０℃、例えば２００～２５０℃の動作温度を有していてもよく、この温度は、一酸化炭素及び水の、利用可能な水素（さらに廃物の二酸化炭素）への変換を最大にするために望ましい。
図４Ａは、本開示の第４の実施形態による燃料電池システム４００の概略図である。システム４００は、システム３００と類似しているので、それらの間の違いのみを詳細に説明する。図４Ｂは、本開示の様々な実施形態による、変更した中央カラム４０１の断面斜視図である。カラム４０１はカラム３０１に類似しているので、それらの間の違いのみを詳細に説明する。
第４の実施形態では、空気予熱熱交換器１２５の変形が、反応性を高め、燃料排気流の温度を上昇させるためになされている。さらに、第４の実施形態では、燃料排気流はＡＴＯ１４０に供給されない。代わりに、スタック１０１の空気排気流に加えて、新鮮な燃料及び／又はポンプセパレータ１５０の排出物がＡＴＯ１４０に供給される。したがって、第４の実施形態では、燃料排気流の一部が分割されてＡＴＯ１４０に供給されることはなく、新たな燃料、及び/又は、さらに後処理された排気燃料を、ポンプセパレータ１５０から直接ＡＴＯ１４０に送ることができる。
図４Ｂを参照すると、カラム４０１は、内部フィンを含まない、空気予熱熱交換器１２５Ａを含む。したがって、熱交換器１２５Ａを出ていく燃料排気流の温度は、燃料排気と入ってくる空気との間での熱移動を高めるためのフィン（例えば波形）を含む、図３Ｂの熱交換器１２５に比べて高くなる。このより高い温度は、燃料排気の後処理や触媒の必要条件に、より好適な場合もある。フィンを取り外すことで、反応性向上のための、熱交換器内部の触媒に利用できる体積も増える。
加えて、カラム４０１は、ＡＴＯ１４０に燃料排気流の一部を供給するように構成されていない。代わりに、新鮮な燃料を含有する燃料吸入流、又はポンプセパレータ５００の排出物、あるいはこれらの混合物が、ＡＴＯ１４０に供給され得る。言い換えれば、カラム４０１は、ＡＴＯ１４０に供給される燃料と、燃料排気流との混合を防ぐように構成することができ、燃料排気のすべてを、ポンプセパレータ５００内での下流側処理のために、カラム４０１の外へ向かわせることができる。
水素リッチ流はポンプセパレータ５００のカソード１５６側出口１５８から、生成物導管１５７を通って燃料吸入導管１１１へと供給される。ポンプセパレータ５００のアノード１５５側出口１５２からの残りの排出物は、セパレータ排気導管１５９を通ってＡＴＯ１４０へと供給され、ＡＴＯ燃料として用いられる。セパレータ排気導管１５９は、空気予熱熱交換器１２５を通り抜け、そこで、燃料排気流と熱交換することができる。セパレータ排気導管１５９は、スプリッタ２０１で終端し、スプリッタは、セパレータ排気導管１５９から供給された流れをＡＴＯ１４０内の空気排気流へと噴射するインジェクタとして機能する。
図３Ａ及び４Ａに示すいくつかの実施形態において、燃料電池システム３００又は４００は、追加の熱交換器及び/又はホットボックス３０２の外側のＷＧＳ反応器５００触媒を含むことができ、中央カラム（例えば、カラム３０１、４０１）から排出される燃料排気をさらに処理することができる。
図５は、本開示の様々な実施形態による、中央カラムから排出される燃料排気を処理するように構成され得るＷＧＳ反応器５００の斜視図である。図５を参照すると、ＷＧＳ反応器５００は、反応器ハウジング５０２、入口５０４、出口５０６、ＷＧＳ触媒５０８、及び任意選択の検出ポート５１０を含み得る。
入口５０４は、空気予熱熱交換器から排出される（例えば、中央カラムから排出される）燃料排気を受け入れるように構成された燃料排気導管１５３からの燃料排気を受け入れるように構成することができる。次に、燃料排気は、出口５０６を通ってハウジング５０２を出て燃料排気導管１５３に戻される前に、ハウジング５０２内に配置されたＷＧＳ触媒５０８に供給され得る。
ＷＧＳ触媒５０８は、分離された触媒パックの形態であってもよい。検出ポート５１０は、燃料排気がＷＧＳ反応器５００を通り抜けるときに、燃料排気の組成を検出するように構成された燃料排気及び／又はガスサンプリング装置の温度を検出するための熱電対を受け入れるように構成することができる。
ＷＧＳ反応器５００から排出される燃料排気は、特定の燃料電池システムの運転ニーズに応じて、燃料吸入導管１１１内の燃料吸入流、水素ポンプセパレータ１５０、又は追加の熱交換器に供給することができる。いくつかの実施形態において、ＷＧＳ反応器５００は、ＷＧＳ触媒５０８が作動前の事前調整が必要である場合には、バルブと対になった追加の入口／出口を含むことができる。
本明細書に記載される燃料電池システムは、必要に応じて、他の実施形態及び構成を有してもよい。必要に応じて、他の構成要素を追加してもよい。さらに、本明細書のいずれかの実施形態で説明され、及び／又はいずれかの図に示されるいずれかのシステム要素又は方法ステップは、そのような使用が明示的に説明されていない場合でも、上記の他の適切な実施形態のシステム及び／又は方法でも使用できることを理解されたい。
本発明の前述の説明は、例示及び説明の目的で提示されている。それは、網羅的であること、又は本発明を開示された正確な形態に限定することを意図するものではなく、修正及び変形は、上記の教示に照らして可能であるか、又は本発明の実施から取得することができる。本明細書の記載は、本発明の原理及びその実際の適用を説明するために選択されたものである。本発明の範囲は、本明細書に添付された特許請求の範囲及びそれらの等価物によって明記されるものとする。
Claims (20)
- 燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの燃料入口に燃料を供給するように構成された燃料吸入導管と、
電解質、カソード、及び一酸化炭素耐性アノードを含む電気化学式ポンプセパレータと、
前記燃料電池スタックの燃料排気出口を前記電気化学式ポンプセパレータのアノード入口に動作可能に接続している燃料排気導管と、
前記電気化学式ポンプセパレータのカソード出口を前記燃料吸入導管に動作可能に接続している生成物導管と
を備える燃料電池システム。 - 前記アノードは水性ガスシフト（ＷＧＳ）触媒を含む、請求項１に記載のシステム。
- 前記アノードは、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、イリジウム（Ｉｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タングステン（Ｗ）、亜鉛（Ｚｎ）、又はそれらの任意の組み合わせを含む純金属又は金属合金触媒を含む、請求項１に記載のシステム。
- 前記アノードは結合剤をさらに含み、
前記燃料排気導管は、前記燃料電池スタックの前記燃料排気出口から排出される燃料排気を、前記電気化学式ポンプセパレータの前記アノード入口に供給するように構成されており、
前記生成物導管は、前記電気化学式ポンプセパレータの前記カソード出口から排出される水素を、前記燃料吸入導管に供給するように構成されている、
請求項３に記載のシステム。 - 前記燃料排気導管を通る前記燃料排気の流れ方向に関して前記電気化学式ポンプセパレータの上流側の前記燃料吸入導管に、動作可能に接続された水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器をさらに備える、請求項４に記載のシステム。
- 前記燃料電池スタックの空気入口に空気を供給するように構成された空気吸入導管と、
前記燃料排気導管及び前記空気吸入導管に動作可能に接続された空気予熱熱交換器であって、前記空気吸入導管内の前記空気を用いて前記燃料排気を冷却するように構成された前記空気予熱熱交換器と
をさらに備える、請求項１に記載のシステム。 - 前記生成物導管及び前記空気吸入導管に動作可能に接続された水素冷却熱交換器をさらに備え、前記水素冷却熱交換器が、前記空気吸入導管内の前記空気を用いて前記生成物導管内の前記水素を冷却するように構成された、請求項６に記載のシステム。
- 前記燃料電池スタックから排出される空気排気を受け入れるように構成された空気排気導管と、
前記空気排気導管及び前記空気吸入導管に動作可能に接続された空気熱交換器であって、前記空気排気導管内の前記空気排気を用いて前記空気吸入導管内の前記空気を加熱するように構成された前記空気熱交換器と
をさらに備える、請求項６に記載のシステム。 - 前記燃料吸入導管及び前記燃料排気導管に動作可能に接続された燃料熱交換器をさらに備え、前記燃料熱交換器が、前記燃料排気導管内の前記燃料排気を用いて前記燃料吸入導管内の前記燃料を加熱するように構成された、請求項６に記載のシステム。
- 前記燃料排気に曝される前記燃料熱交換器の表面が、水性ガスシフト（ＷＧＳ）触媒で被覆された、請求項９に記載のシステム。
- 前記燃料排気を酸化するように構成されたアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）と、
前記燃料排気導管に動作可能に接続され、前記燃料排気の一部を前記ＡＴＯに回すように構成されたスプリッタと
をさらに備える、請求項９に記載のシステム。 - 前記スプリッタは、前記燃料排気の流れ方向に関して、前記燃料熱交換器の下流側に配置されている、請求項１１に記載のシステム。
- 前記空気予熱熱交換器を通って延在したセパレータ排気導管をさらに備え、前記セパレータ排気導管が、前記電気化学式ポンプセパレータのアノード出口から排出される燃料排気を前記ＡＴＯへ供給するように構成された、請求項１１に記載のシステム。
- 前記燃料排気に曝される前記空気予熱熱交換器の表面が、水性ガスシフト（ＷＧＳ）触媒で被覆された、請求項６に記載のシステム。
- 水性ガスシフト（ＷＧＳ）触媒を含有する改質器をさらに備える、請求項６に記載のシステム。
- 前記燃料電池スタックはホットボックス内に配置され、前記電気化学式ポンプセパレータ及び前記ＷＧＳ反応器は前記ホットボックスの外側に配置されている、請求項５に記載のシステム。
- 燃料電池スタックの燃料入口に燃料吸入流を供給するステップと、
電解質、カソード、及び一酸化炭素耐性アノードを備える電気化学式ポンプセパレータのアノード入口に、前記燃料電池スタックの燃料排気出口から燃料排気を供給するステップと、
前記電気化学式ポンプセパレータのカソード出口から排出される水素を前記燃料吸入流に供給するステップと
を含む、燃料電池システムを作動させる方法。 - 燃料電池スタックと、
電気化学式ポンプセパレータと、
前記電気化学式ポンプセパレータと統合された水性ガスシフト（ＷＧＳ）触媒と、
前記燃料電池スタックの燃料排気出口を前記電気化学式ポンプセパレータのアノード入口に動作可能に接続している燃料排気導管と、
前記電気化学式ポンプセパレータのカソード出口を、前記燃料電池スタックの燃料入口に燃料を供給するように構成された燃料吸入導管に、動作可能に接続している生成物導管と
を備える燃料電池システム。 - 前記電気化学式ポンプセパレータが、
電解質と、
カソードと、
一酸化炭素耐性アノードであって、前記ＷＧＳ触媒を含む前記アノードと
を備える、請求項１８に記載のシステム。 - 前記燃料電池スタックの空気入口に空気を供給するように構成された空気吸入導管と、
前記生成物導管及び前記空気吸入導管に動作可能に接続された水素冷却熱交換器であって、前記生成物導管内の前記水素を、前記空気吸入導管内の空気を用いて冷却するように構成された前記水素冷却熱交換器と
をさらに備える、請求項１９に記載のシステム。
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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